FPGA和GPU的特點(diǎn)及如何堆疊幫助系統(tǒng)集成商

當(dāng)今的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有各種各樣的處理器類型可供選擇，與更熟悉的CPU（中央處理器）相比，FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）和GPU（圖形處理單元）增加了自己的各種優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。了解這些特性以及 FPGA 和 GPU 如何堆疊可以幫助系統(tǒng)集成商在選擇和安裝處理器時做出正確的選擇，既可以單獨(dú)使用，也可以與其他類型的處理器結(jié)合使用。

當(dāng)今的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有各種各樣的處理器類型可供選擇，與更熟悉的CPU（中央處理器）相比，F(xiàn)PGA（現(xiàn)場可編程門陣列）和GPU（圖形處理單元）增加了自己的各種優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。了解這些特性以及 FPGA 和 GPU 如何堆疊可以幫助系統(tǒng)集成商在選擇和安裝處理器時做出正確的選擇，既可以單獨(dú)使用，也可以與其他類型的處理器結(jié)合使用。

FPGA 是算法的硬件實(shí)現(xiàn)，由于硬件實(shí)現(xiàn)通常比軟件實(shí)現(xiàn)運(yùn)行得更快，因此它們的性能非常好。與 FPGA 不同，GPU 執(zhí)行軟件;與 FPGA 的硬件實(shí)現(xiàn)相比，執(zhí)行復(fù)雜算法需要許多順序 GPU 指令。GPU 的優(yōu)點(diǎn)是其高內(nèi)核數(shù)，這使得某些并行算法的運(yùn)行速度比 CPU 快得多，尤其是那些使用浮點(diǎn)計(jì)算的算法。1，000 核 GPU 每個時鐘周期可以運(yùn)行 1，000 次浮點(diǎn)計(jì)算。對于信號和圖像處理應(yīng)用，GPU 是自然而然的選擇。對于高度并行的數(shù)學(xué)密集型應(yīng)用，GPU 性能通常優(yōu)于 CPU，并且在每瓦性能方面接近與 FPGA 相當(dāng)。

從歷史上看，F(xiàn)PGA 的一個缺點(diǎn)是，與 CPU 和 GPU 相比，它們更難編程。CPU軟件通常使用許多現(xiàn)成的編程語言之一進(jìn)行編程，例如Java，C或Python。FPGA 使用硬件描述語言 （HDL） （如 Verilog）或超高速集成電路硬件描述語言 （VHDL） 進(jìn)行編程，后者直接轉(zhuǎn)換為 FPGA 邏輯單元。GPU 通常使用軟件框架進(jìn)行編程，使用戶不必專門為 GPU 編寫代碼;相反，代碼是在高級別編寫的。FPGA也是如此：軟件開發(fā)框架正在被設(shè)計(jì)為無需HDL（硬件描述語言）即可實(shí)現(xiàn)FPGA編程。FPGA 供應(yīng)商已經(jīng)提供了框架，并在其開發(fā)環(huán)境中構(gòu)建了工具包，從而消除了對直接 HDL 編程的需求。

異構(gòu)性/結(jié)構(gòu)連接

嵌入式應(yīng)用通常需要結(jié)合 CPU、FPGA 和 GPU 元素的異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)。雖然傳統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用可能包括單個 CPU 和 GPU 處理元件，但一些處理器密集型平臺集成了多個 CPU、GPU 和 FPGA 引擎，這些引擎在通過高速 PCI Express （PCIe） 或以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)背板連接的單個或多個獨(dú)立卡上實(shí)現(xiàn)，以并行通信和執(zhí)行任務(wù)?；蛘?，NVIDIA提供的一些最新的獨(dú)立GPU加速模塊（即Jetson AGX Xavier）在單個系統(tǒng)模塊（SoM）上集成了六個不同的計(jì)算引擎，其中包括CPU，GPU，深度學(xué)習(xí)加速器，視覺加速器，多媒體引擎等?；谶@項(xiàng)技術(shù)的堅(jiān)固耐用的商用現(xiàn)貨（COTS）系統(tǒng)的一個例子是Curtiss-Wright的Parvus DuraCOR AGX Xavier小型模塊化任務(wù)計(jì)算機(jī)，它集成了Jetson AGX Xavier的NVIDIA CUDA核心加速圖形處理，人工智能/深度學(xué)習(xí)推理和邊緣計(jì)算功能。（見上文，圖 1。

FPGA 的一個重要特性是其任意 I/O 連接，使其能夠在沒有主機(jī) CPU 的情況下連接到傳感器、網(wǎng)絡(luò)或存儲設(shè)備。例如，高端雷達(dá)系統(tǒng)可能需要許多離散處理元件和計(jì)算階段來支持多個高速數(shù)據(jù)輸入;在這種情況下，F(xiàn)PGA具有一些優(yōu)勢，因?yàn)樗鼈兛梢灾苯舆B接到這些高速傳感器并提供非常高的帶寬。

延遲和確定性

隨著總線速度的提高，預(yù)計(jì)較新的 CPU 和 GPU 的延遲會降低;但是，F(xiàn)PGA 的延遲更具確定性。對于FPGA，延遲約為1μs是可行的，而CPU延遲往往在50μs左右。

在系統(tǒng)而不是傳統(tǒng)操作系統(tǒng)上使用實(shí)時操作系統(tǒng) （RTOS） 可能有助于確定性，但不一定提供更好的延遲。換句話說，使用 RTOS 可以更好地了解處理器的執(zhí)行速度，但不一定會導(dǎo)致更快的執(zhí)行速度。

在為特定應(yīng)用選擇特定處理器時，許多變量都在起作用。在任何新設(shè)計(jì)計(jì)劃開始時，咨詢您信任的供應(yīng)商的系統(tǒng)架構(gòu)師會很有幫助，他們會解決這些問題并每天做出這些類型的決策。正確的選擇可以改變一切。

審核編輯：郭婷